Inverse design of heat treatment processes in radiant furnaces
Radyasyon baskın fırınlarda ısıl işlemlerin tersten tasarımı
- Tez No: 928180
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALTUĞ MELİK BAŞOL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Endüstri Ürünleri Tasarımı, Makine Mühendisliği, Industrial Design, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Cam fırını, Doğrusal olmayan optimizasyon, Elektrikli fırın, Endüstri fırınları, Simülasyon optimizasyonu, Tasarım optimizasyonu, Tav fırını, Tavlama optimizasyonu, Glass furnace, Non-linear optimization, Electric furnace, Industry furnaces, Simulation optimization, Design optimization, Annealing furnace, Annealing optimization
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, imalat sanayileri için kritik olan ısıl işlem uygulamalarını optimize etmeye odaklanmakta ve iş parçalarının istenilen şekilde ısıl işlem görmesini sağlarken enerji gerekliliklerini incelemeyi amaçlamaktadır. Geleneksel optimizasyon yaklaşımları iş parçası yüzeyinde üniform işlem sağlamaya odaklanmış, sıklıkla iç ısıl iletimi ihmal etmiş ve endüstriyel senaryolarda iç termal gradyanlar kritik olduğunda önemli modelleme hatalarına yol açmıştır. Modelimiz, tasarım koşullarını tanımlamak için iş parça için tasarım noktası yaklaşımı kullanmaktadır ve iç ısıl iletimi göz ardı eden geleneksel yöntemlerin sınırlamalarını aşmaktadır. Çalışma, iş parçalarının iç ısıl iletimini dahil ederken radyasyon ısı transferi baskın yığımlı fırınlarında ısıl işlem uygulamalarını araştırmaktadır. Duyarlılık katsayılarını hesaplamak için doğrudan türev alma yaklaşımını içeren yenilikçi bir gradyan tabanlı optimizasyon metodolojisi geliştirilmiştir. Ters ışınım sınır tasarım problemlerinin kötü koşullanmış doğasını ele almak için düzenleme teknikleri kullanılmaktadır. Duyarlılık katsayılarını doğrudan türev alma yoluyla hesaplamak, hedef problemlerimizde radyasyon-iletim bağlantısı nedeniyle genellikle mevcut olmayan değişkenerin açık formülasyonlarını gerektirir. Bunu aşmak için, iş parçası yüzeyi ve iç tasarım noktası sıcaklıkları için açık formülasyonlar türetmek amacıyla değişken rastgele yürüyüş yöntemleri kullanılmıştır. Bu yaklaşım, ters ışınım sınır tasarım problemleri için yenilikçi bir uygulamadır. Bu araştırma, geliştirilen metodolojiyi doğrulamak ve uygulamak için kapsamlı analizleri içermektedir. Metodoloji, iki cam levhayı ısıtmak için bilinen ısıtıcı sıcaklıklarını yeniden oluşturarak doğrulanmıştır. Tasarım noktası konfigürasyonlarının analizi, daha yoğun bir yerleşimin, daha hassas duyarlılık bilgileri sağlayarak ters çözümün doğruluğunu artırdığını ortaya koymaktadır. Çalışma ayrıca gürültülü veri ve düzenleyici katsayılarının etkisini inceleyerek geliştirilen metodolojinin sağlamlığını ve kararlılığını göstermektedir. Sıcaklık tabanlı ve güç tabanlı yaklaşımlar kullanılarak yapılan fırın operasyonu analizleri, her iki yöntemin de altı cam levhanın eşit ısıtılmasını sağladığını, güç tabanlı yaklaşımın negatif güç gereksiniminden kaçınarak daha pratik olduğunu göstermiştir. Farklı ısıtma stratejilerinin analizi, ısıtma ve bekletme aşamaları arasındaki daha yumuşak geçişlerin güç taleplerini azalttığını ve optimal ısıtma eğrileri hakkında bilgiler sağladığını göstermiştir. Altı saatlik kübik paslanmaz çelik bir iş parçasının ısıl işlemi için ters çözüm, merkezi ısıtıcıların ısıtmayı sağladığı ve kenar ısıtıcıların bekletme aşamasında üniformite sağladığı zamana bağlı ısıtıcı güçlerini belirlemiştir. Isıtıcı yerleşim konfigürasyonlarının analizi, daha yoğun ısıtıcı eleman yerleşiminin daha hassas termal yönetim sayesinde daha iyi bir sıcaklık üniformitesi sağladığını göstermiştir. Soğutma aşaması analizinde iki yaklaşımı karşılaştırmıştır; önceden tanımlanmış sabit soğutmaya ek ısıtma güçlerinin ayarlanması, ve ısıtma ve soğutma güçlerinin eşzamanlı olarak ayarlanması. İkincisi, daha yüksek soğutma üniformitesi sağlamış ancak daha fazla enerji gerektirmiş, üniformite ve enerji talepleri arasındaki ödünleşimleri vurgulamıştır. Bu analizler, geliştirilen yöntemlerin istikrarlılığını ve pratik uygulanabilirliğini göstererek, fırın tasarımı ve işletimini optimize etmek için değerli bilgiler sağlamaktadır. Çalışmanın bulguları, cam, yarı iletken, otomotiv ve havacılık gibi yüksek kaliteli bileşenler üretmek için hassas ısıl işlem süreçlerinin gerekli olduğu endüstriler için özellikle önemlidir. Bu optimize edilmiş uygulamaları benimseyerek, fırın tasarımcıları ve operatörleri, fırın işletme parametrelerini optimize etme konusunda önemli anlayış kazanabilir, ve bu da ısıl işlem uygulamalarının etkinliğini artırır, enerji tasarrufu sağlar ve yüksek kaliteli sonuçlar elde etmeyi mümkün kılar.
Özet (Çeviri)
This dissertation focuses on optimizing heat treatment processes, crucial for manufacturing industries, with the aim of ensuring desired treatment of workpieces while addressing energy costs. Traditional optimization approaches have primarily concentrated on uniform treatment over the workpiece surface, often neglecting internal conduction, leading to significant modeling errors when internal thermal gradients are critical in industrial scenarios. Our model employs a design point approach within the workpieces to define design conditions, overcoming the limitations of traditional methods that ignore internal conduction of workpieces. The study investigates the heat treatment of workpieces within batch furnaces, where the radiation heat transfer within the enclosure is dominant while incorporating internal conduction inside workpieces. A novel gradient-based optimization methodology has been developed, incorporating a direct differentiation approach for calculating sensitivity coefficients. Regularization techniques are employed to address the ill-posed nature of inverse radiant boundary design problems. Calculating sensitivity coefficients through direct differentiation typically requires explicit formulations of the variables, which are often unavailable due to radiation-conduction coupling in our target problems. To overcome this, floating random walk methods were utilized to derive explicit formulations for workpiece surface and internal design point temperatures, a novel application for inverse radiant boundary design problems. The research involves comprehensive analyses to verify and apply the developed methodology. The methodology is verified by reconstructing known heater temperatures for heating two glass panes. Analysis of design point configurations reveals that increased number of design point enhances the accuracy of the inverse solution by providing more precise sensitivity information. The study also examines the impact of noisy input data and regularizer weights, demonstrating the robustness and stability of the developed methodology. Comparative analysis of furnace operation using temperature-based and power-based approaches showed that both methods achieved uniform heating of six glass panes, with the Power-based Approach being more practical by avoiding negative power inputs. Analysis of different heating curves showed, smoother heating-to-soaking transition reduced power demands, providing insights into optimal heating curves. For a six-hour heating treatment of a cubic stainless-steel workpiece, the inverse solution determined required transient heater powers, with central heaters driving heating and edge heaters ensuring uniformity in soaking phase. Analysis of heater layout configurations showed that increasing the number of heater elements enhances temperature uniformity, providing more precise thermal management. The cooling phase analysis compared two approaches; determination of heater powers together alongside a predefined constant cooling and simultaneous determination of heater and chamber powers. The latter achieved high cooling uniformity but required higher energy, highlighting trade-offs between uniformity and energy demands. These analyses demonstrate the robustness and practical applicability of the developed methodologies, providing valuable insights for optimizing furnace design and operation. The study's findings are particularly relevant for industries such as glass, semiconductor, automotive and aerospace, where precise heat treatment processes are essential for producing high-quality components. By adopting these optimized practices, furnace designers and operators can gain significant understanding into optimizing furnace operating parameters, leading to improved process effectiveness, energy savings, and high-quality outcomes.
Benzer Tezler
- Çoklu amaçların çözümlemesinde amaç programlaması ile genelleştirilmiş ters yaklaşımı ve yem sanayiinde bir uygulama
Goal programming and generalieed inverse approaches in the multi-objective analysis and application in feed industry
HASAN BAL
- Ters filitreleme ve sismik verilere uygulanması
Başlık çevirisi yok
M.EMİN DEMİRBAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1983
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAHİT ÇORUH